[发明专利]弹簧用钢及钢材的表面处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及弹簧用钢以及钢材的表面处理方法，特别是涉及进行渗氮处理，在表层尽量不生成氮化物而形成厚的高硬度层的技术。

背景技术

近年，例如汽车用气门弹簧，由于要求降低气门系统的摩擦损耗、确保发动机室内的冲击吸收空间，而有小型化·轻量化的趋势，从而气门弹簧用钢材所必需的强度有增加的倾向。通常钢的疲劳强度在材料硬度约为400HV以下时随着硬度的增加而增加，但是在超过约400HV的高硬度区域增加幅度减小，若硬度进一步升高则存在饱和的趋势。原因之一认为是，由于硬度增加而使钢材切口敏感性增加。近年的弹簧用钢和弹簧的硬度超过500HV，因此认为不能期待通过钢材整体的硬度增加实现疲劳强度的大幅增加。因此，为了解决这种问题而提出了以下的方法。

专利文献1中提出了通过添加V、Nb等而使结晶粒径微细化，钢材的韧性得到提高的、疲劳特性优异的弹簧。但是，对于本文献中记载的弹簧，虽然发现疲劳特性提高的效果，但是由于上述添加元素昂贵而存在钢材的价格升高的问题。

专利文献2中提出了通过利用高频感应加热的淬火回火处理，组织细微化，碳化物微细地分散析出的同时抑制在晶界中的析出，钢材的韧性提高，由此赋予高的疲劳强度的技术。但是，对于通常具有三维形状的弹簧，使用高频感应加热来控制钢材的各部位的温度是困难的，由于加热条件的管理复杂等，结果存在成本高的问题。

专利文献3中提出了钢材的氧化物系夹杂物的组成按照重量%计为SiO₂：30～60%、Al₂O₃：10～30%、CaO：10～30%、MgO：3～15%，且其粒径的圆当量直径为15μm以下的疲劳特性优异的弹簧用钢。但是，难以将氧化物系夹杂物的组成及粒径严格控制在上述范围内。因此，对于所制造的弹簧用钢，必须检查确认氧化物系夹杂物是否在上述范围内，即使是同一批次的弹簧用钢，未被实际检查的弹簧用钢的氧化物系夹杂物也有可能不在上述范围内，这种情况下，以氧化物系夹杂物为起点，弹簧有可能过早折损。

专利文献4中提出了表层不存在脆的氮化物，从表面直至规定深度具有固溶了氮的氮扩散层，且实施了淬火处理的渗氮淬火物及其制造方法。根据这种技术，即使渗氮后也不会形成有可能成为破坏起点的氮化物，且表层硬度高，因此可以期待疲劳强度的升高。但是，专利文献4中记载的实施例中，表层的高硬度层的厚度最大也非常薄、为0.06mm左右，对于提高疲劳强度来说不充分。此外，在专利文献4中记载的渗氮温度范围(600～800℃)，本发明中的钢的中心部难以奥氏体化，即使之后骤冷也会形成不完全淬火，不能得到作为弹簧所必需的中心部的硬度(500HV以上)。

专利文献5中公开了通过在1～30hPa的减压气氛下渗碳，由此得到具有表面硬度为700～900HV的渗碳层的渗碳齿轮部件。这种减压渗碳，与以往广泛使用的气体渗碳不同，是利用可以抑制可能成为破坏起点的晶界氧化、且处理温度高(950℃以上)的优点而得到厚的高硬度层的方法。但是，减压渗碳由于利用乙炔的非平衡分解反应，不能像气体渗碳那样控制碳侵入量。因此，由于被处理部件的部位、形状不同而使碳侵入量不均，难以得到均一的高硬度层。因此，要求碳等的侵入量的控制、管理容易的处理方法。

专利文献1：日本特开平8-170152号公报

专利文献2：日本特开平8-134545号公报

专利文献3：日本特开平6-158226号公报

专利文献4：日本特开2007-46088号公报

专利文献5：日本专利第4229609号公报。

发明内容

因此，本发明是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，提供不需要昂贵的添加元素、复杂的温度控制就可以低成本地制造，使表层的氮化物层及碳化物层的厚度尽量薄，同时可以得到必要的中心部硬度和高硬度层厚度的弹簧用钢以及钢材的表面处理方法。

本发明人对于弹簧用钢和弹簧，就形成厚的表面高硬度层，而不损害中心部的韧性、且几乎不生成脆的氮化物及碳化物的方法进行深入研究。其结果发现，对于未添加特殊元素的一般碳钢，在规定温度下进行化学表面处理，然后进行淬火以及回火，由此可得到在表层形成厚的表面高硬度层，而几乎不生成脆的氮化物及碳化物，且中心部维持韧性的具有硬度的钢材。